способ сепарации жидкости из газожидкостного потока и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ сепарации жидкости из газожидкостного потока, включающий выделение жидкости на стенки канала и дальнейший отбор ее с них, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса сепарации и расширения диапазона изменения расходов смеси и концентрации жидкой среды, газожидкостный поток сначала разгоняют в сужающейся части канала с изменяемой площадью минимального сечения до скорости, близкой к критической, а затем в плавно расширяющейся части канала поток отклоняют от первоначального направления и тормозят до скорости газовой фазы, меньшей скорости начала уноса капель с поверхности жидкости.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что часть скоростного напора отсепарированной жидкости сохраняют и используют для ее дальнейшей транспортировки.

3. Устройство для сепарации жидкости из газожидкостного потока, содержащее корпус с конфузорно-диффузорным продольным каналом, в стенке которого выполнена кольцевая щель, соединенная со средством отвода уловленной жидкости, вытеснитель, расположенный по оси корпуса с образованием в зазоре между ними сепарационного канала, выполненный в виде тела вращения с обтекателями на входном и выходном концах и расширенной средней частью, расположенной в диффузоре канала корпуса, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности процесса сепарации, сепарационный канал гладко профилирован в виде сужающе-расширяющейся проточной части, кольцевая щель расположена в самом узком сечении сепарационного канала, вытеснитель выполнен хорошо обтекаемым с канавками на его поверхности, обращенной навстречу потоку, соединенными каналами со средством отвода уловленной жидкости, и установлен с возможностью осевого перемещения.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что поверхность вытеснителя в зоне расположения канавки выполнена с плоским срезом, обращенным навстречу потоку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, но может быть использовано и в других областях, где имеется необходимость разделять совместно текущие жидкость и газ.

Прототипом изобретения можно считать гидроциклонный сепаратор, внутренняя полость которого оборудована шнеком, который создает закрутку двухфазному газожидкостному потоку. Появляющиеся в результате закрутки потока центробежные силы высаживают капли на стенки сепаратора, а образующаяся при этом пленка жидкости отбирается через специальные окна и паз в корпусе сепаратора.

Сепаратор обладает следующими недостатками. Во-первых, он, как и другие центробежные сепараторы, например циклон, работает в узком интервале изменения скоростей потока, а следовательно, и его расхода, так как при отклонении скоростей потока в сторону уменьшения от расчетной уменьшаются центробежные силы и падает эффективность сепарации, а при увеличении скорости потока растет унос жидкости со стенок сепаратора снова в ядро потока и эффективность сепарации уменьшается. Во-вторых, закрутка потока создает дополнительное гидравлическое сопротивление. В-третьих, для того, чтобы капли успели выпасть на стенку, осевые габариты такого сепаратора должны быть достаточно большими. В-четвертых, на поверхности самих шнеков образуется жидкая пленка, удалить которую затруднительно. В-пятых, отсепарированная таким образом жидкость теряет свой скоростной напор, который не может уже быть использован для дальнейшей ее транспортировки.

Цель изобретения - повышение эффективности сепарации, расширение диапазона изменения расходов смеси и концентрации жидкой фазы, уменьшение габаритов устройства.

Указанная цель достигается тем, что в способе сепарации жидкости, включающем выделение жидкости на стенки канала и отбор ее с них, газожидкостный поток сначала разгоняют в сужающейся части канала до скорости, близкой к критической, а затем поток отклоняют от первоначального направления и тормозят до скорости газовой фазы, меньшей скорости начала уноса капель с поверхности. Установку минимально возможной площади проходного сечения канала осуществляют по наличию положительного перепада давления, измеряемого между точками, расположенными непосредственно перед минимальным сечением канала (горлом) и за ним, при минимально возможном для данного режима течения давлении перед горлом канала. Часть скоростного напора отсепарированной жидкости сохраняют и используют для ее дальнейшей транспортировки.

В устройстве для осуществления способа, содержащем корпус и центральное тело, указанная цель достигается тем, что корпус совместно с установленным в нем с зазором относительно его внутренней поверхности центральным телом, подвижным в осевом направлении, образуют канал сужающе-расширяющейся формы. На внутренней поверхности корпуса и на поверхности центрального тела выполнены щелевые отверстия для отбора жидкости, а задняя по отношению к направлению потока кромка щелевых отверстий выступает над их поверхностями, образуя козырек.

На чертеже представлено устройство для реализации предложенного способа.

Устройство (которое в дальнейшем будем называть сепаратор) состоит из корпуса сепаратора 1 и вытеснителя 2, закрепленного на подвижной оси 3, позволяющей центральному вытеснителю перемещаться в осевом направлении. Вытеснитель 2 перемещается с помощью механизма 4.

Корпус сепаратора имеет осесимметричный канал типа сопла Вентури, имеющий от сечения I-I до сечения II-II cужающийся (конфузорный) профиль и от сечения II-II до сечения III-III расширяющийся (диффузорный). Осесимметричный центральный вытеснитель 2 выполнен таким образом, что площадь поперечного сечения его сначала возрастает от нуля до некоторого максимального значения, а затем вновь убывает, практически, до нуля. Профиль вытеснителя 2 между начальным сечением и максимальным (мидельным) имеет точку перегиба, в которой градиент площади резко увеличивается. Само центральное тело вытеснителя 2 расположено так, что точка перегиба его профиля находится в наиболее узком сечении корпуса - горле или, по крайней мере, вблизи него. Профиль сечения центрального тела после точки перегиба и профиль канала корпуса сепаратора после сечения II-II выполнены такими, что канал сепаратора от сечения II-II до сечения III-III всегда остается диффузорным, т. е. расширяющимся. Канал сепаратора до сечения II-II всегда будет сужающимся, т. е. конфузорным, а сечение II-II - минимальным или критическим. Перемещение центрального тела вперед (на схеме влево) будет уменьшать площадь критического сечения, а перемещение назад (на схеме вправо) - увеличивать.

В корпусе сепаратора перед его горлом выполнена кольцевая щель 5, задняя стенка которой выступает над поверхностью канала, образуя козырек. Аналогичные кольцевые щели с козырьками выполнены на центральном теле вытеснителя в месте точки перегиба и в районе мидельного сечения. Все полости кольцевых щелей корпуса сепаратора и вытеснителя 2 соединены между собой и через запорный вентиль 6 сообщаются с магистралью слива.

Способ при помощи устройства осуществляется следующим образом. Разгоняясь в сужающейся части канала, газожидкостный поток, а, следовательно, и капли жидкости, находящиеся в нем, получают перед минимальным сечением сепаратора (горлом) высокую скорость, близкую к критической, поэтому капли после прохождения потоком горла сепаратора и его поворота относительно первоначального направления, благодаря приобретенной высокой инерционности, сохраняют направление своих траекторий и выпадают на поверхность центрального тела, чем и обеспечивается высокая эффективность сепарации. Величина площади горла сепаратора, обеспечивающая режим течения, близкий к критическому, без перехода его в сверхкритический, определяется благодаря предложенному закону регулирования, по которому давление в потоке в горле сепаратора должно быть минимально возможным при наличии положительного перепада давления между точками, расположенными до горла сепаратора и после него.

Высокая эффективность сепарации достигается также за счет того, что в расширяющейся части канала сепаратора поток тормозится до такой скорости газа, что отсепарированная жидкость уже не уносится снова со стенок в поток. Многорежимность работы сепаратора, т. е. возможность его работы при различных расходах газожидкостного потока достигается за счет возможности изменения площади горла сепаратора. Так как в предложенной схеме сепаратора жидкость от газа отделяется не за счет центробежных сил, то его радиальный размер может быть не большим, чем размер подводящего трубопровода. Отсутствие влияния временного фактора на долю выпавших на стенки капель, в противоположность разобранному выше прототипу, позволяет сократить осевые размеры предложенного сепаратора до приемлемой в смысле конструктивного исполнения величины. Таким образом, достигается и цель создания сепаратора с уменьшенными габаритными размерами.

Для объяснения принципа работы сепаратора снова обратимся к чертежу. Полузачерненными стрелками показано направление течения двухфазного газожидкостного потока, черными стрелками - направления течения отсепарированной жидкости и светлыми стрелками - направления течения газа после сепарации.

Газожидкостный поток из подводящего трубопровода 7 попадает в сепаратор. В конфузорном участке сепаратора линии тока газа будут отклоняться от осевого направления, частицы жидкости же вследствие своей инерционности будут иметь траектории близкие по направлению к осевым и выпадать на стенки корпуса 1 сепаратора и центрального вытеснителя 2, в результате чего на стенках будет образовываться жидкая пленка. Эта пленка сохранит часть импульса, внесенного каплями, а также будет разгоняться за счет силы трения со стороны газового ядра потока и поэтому будет иметь некоторый скоростной напор. Набегая на козырьки перед щелями 5 в корпусе 1 сепаратора и на центральном вытеснителе 2 в районе точки перегиба, жидкая пленка будет отклоняться в эти щели и дальнейший ее путь на схеме показан черными стрелками.

На стенки сепаратора будет выпадать жидкости тем больше, и, следовательно, отсепарировано ее будет тем больше, чем меньше площадь критического сечения канала сепаратора II-II по отношению к площади входного сечения I-I. Однако уменьшать площадь критического сечения канала можно только до наступления критического течения, дальнейшее же уменьшение этой площади будет приводить к уменьшению расхода через трубопровод, что в большинстве случаев нежелательно. Вместе с тем нежелательно и установление в минимальном сечении сепаратора критического режима, так как в этом случае в расширяющейся части сепаратора за сечением II-II будет наблюдаться разгон потока, вместо необходимого торможения. В связи с этим площадь минимального сечения сепаратора должна быть несколько больше критической, а тогда в диффузорном участке сепаратора от сечения II-II и дальше будет осуществляться торможение потока.

Часть жидкости, не отсепарированная на конфузорном участке, будет продолжать выпадать на стенки центрального тела в диффузорном участке и отбираться через кольцевую щель в его мидельном сечении. С целью избежания уноса жидкости с пленки площадь сечения канала сепаратора в районе мидельной части центрального тела вытеснителя 2 подбирается такой, чтобы скорость газа в этом сечении была меньше начальной скорости уноса.

Многорежимность работы предложенной схемы сепаратора по диапазонам изменения расходов потока и концентрации жидкой фазы обеспечивается изменением площади минимального сечения канала сепаратора.

Эффективность предложенного способа сепарации и устройства для его реализации по отношению к имеющимся аналогам заключается главным образом в многорежимности его работы и в сравнительно небольших габаритных размерах, близких к диаметру подводящего трубопровода и, следовательно, в его относительно низкой металлоемкости, а также малых производственных площадях, потребных для его размещения.